[发明专利]一种可拉伸性、弹性导电高分子基全凝胶态纤维状超级电容器及其制备方法

说明书

本发明涉及一种可拉伸性、弹性导电高分子基全凝胶态纤维状超级电容器及其制备方法。该制备方法包括：将水凝胶纤维表面进行导电集流体溅射，采用聚乙烯醇凝胶电解质将导电集流体溅射后的水凝胶纤维组装获得；其中水凝胶纤维是将弹性高分子基体、导电高分子单体、交联剂和酸溶液溶于去离子水中，然后与引发剂溶液混合后注入模具，冷冻，进行原位聚合和交联反应获得。该水凝胶纤维具有优良导电性、良好机械强度和弹性；该全凝胶态纤维状超级电容器具有优良的电化学性能和本征可拉伸性。

技术领域

本发明属于柔性储能及可穿戴电子器件技术领域，特别涉及一种可拉伸性、弹性导电高分子基全凝胶态纤维状超级电容器及其制备方法。

背景技术

随着柔性可穿戴设备的兴起，可拉伸全固态超级电容器由于其功率密度高、充放电速度快的电化学性能和优异的可拉伸性、拉伸回复性和机械稳定性能，在柔性可穿戴储能器件领域受到广泛关注。水凝胶因其优异的柔性、弹性、且能够适应各种复杂变形的特征，是柔性可穿戴设备最有潜力的候选材料之一。导电高分子是一类具有优异赝电容储能性能的功能材料，导电高分子基弹性水凝胶纤维同时具有导电高分子的电学性能、高机械性能、容易制备和可加工性等优异性能，又具备水凝胶纤维的生物相容性、透气性、可编织性等优点，在可穿戴传感、储能以及生物医用检测器件等方面具有潜在的应用价值。

通过将导电高分子在水凝胶弹性基体中原位聚合并形成连续网络可获取高性能超级电容器电极材料，然而目前的材料以块状或片状的形式为主。此外，现有的导电水凝胶纤维的制备方法主要为导电颗粒填充水凝胶基体或者在水凝胶外层原位生长，制备所得的水凝胶纤维在拉伸下难以满足高导电性的要求，具有本征弹性、可拉伸性的全凝胶态纤维状超级电容器还尚未被报道。因此，亟待开发一种具有本征弹性的全凝胶态纤维状超级电容器。

中国专利CN104282444A公开了一种碳纳米管/聚苯胺复合材料为对电极的可拉伸线状超级电容器及其制备方法，该方法采用了可拉伸的聚合物作为纤维基底，在预拉伸情况下形成的碳纳米管/聚苯胺复合材料，其可拉伸性并非材料本征性质，所采用的聚合物纤维基底存在降低器件总体容量以及稳定性差等缺点。

文献Advanced Materials,2018；30(18):1800124报道了一种可拉伸全凝胶态石墨烯/导电聚合物水凝胶纤维状超级电容器，其拉伸性源于器件的波浪型几何形状，非本征可拉伸性，因此其拉伸强度以及拉伸-回弹循环寿命较弱。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可拉伸性、弹性导电高分子基全凝胶态纤维状超级电容器及其制备方法，以克服现有技术中水凝胶纤维电导率低、可拉伸纤维状超级电容器容量低、力学性能弱等缺陷。

本发明提供一种可拉伸导电高分子基水凝胶纤维，将弹性高分子基体、导电高分子单体、交联剂和酸溶液溶于去离子水中，得到混合溶液，然后与引发剂溶液混合后注入模具，冷冻，进行原位聚合和交联反应，去除模具，纯化，冷冻干燥获得。

优选地，上述水凝胶纤维中，所述弹性高分子基体为含有多羟基的高分子，所述含有多羟基的高分子包括聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚乙二醇中的一种或几种。

优选地，上述水凝胶纤维中，所述导电高分子单体包括苯胺、吡咯、噻吩中的一种或几种。

优选地，上述水凝胶纤维中，所述交联剂为3-氨基苯基硼酸ABA。

优选地，上述水凝胶纤维中，所述酸溶液包括0.1～6mol/L的盐酸、硫酸、磷酸和硝酸溶液中的一种或几种。

优选地，上述水凝胶纤维中，所述引发剂包括过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸钠、双氧水中的一种或几种。

本发明还提供一种可拉伸导电高分子基水凝胶纤维的制备方法，包括：

(1)将弹性高分子基体、导电高分子单体、交联剂和酸溶液溶于去离子水中，得到混合溶液，将引发剂溶解于去离子水中，得到引发剂溶液；